30ºMotores de Combustión Interna Alternativos (MCIA) (1ºParte)

 

73223_159812117388239_323563_nÍndice:

 

1-Definición y Clasificación de los MCIA

1.1-Motores de Combustión Interna

1.2-Motores de Combustión Externa

1.3-Motores de Combustión Continua

1.4-Motores de Combustión Discontinua

1.5-Motores Alternativos

1.6-Motores Rotativos

2-Elementos Constructivos de los MCIA

2.1-Bloque

2.2-Cilindros

2.3-Cigüeñal (como elemento del bloque)

2.4-Árbol de levas

2.5-Cojinetes

2.6-Biela

2.7-Cárter superior o Bancada

2.8-Cárter inferior o Cárter de aceite

2.9-Bomba de aceite

2.10- Segmentos

2.11-Pistones

2.12-Cámara de Combustión

2.13-Bulón

2.14-Culata

2.15-Bujía

2.16-Balancines

2.17-Cigüeñal (como parte del tren alternativo)

2.18-Dámper

2.19-Volante de Inercia

3-Ventajas y limitaciones de los MCIA 

3.1-Ventajas

3.1.1-Rendimiento

3.1.2-Versatilidad en cuanto a Potencia

3.1.3-Combustibles

3.1.4-Características Constructivas

3.2-Desventajas

3.2.1-Emisiones

3.2.2-Limitación de Potencia Máxima

3.2.3-Dependencia del Petróleo

4-Clasificación de los MCIA

4.1-Según el Tipo de Encendido

4.1.1-Motores de encendido provocado (MEP)
4.1.2-Motores de encendido por compresión (MEC)

4.2Según el Número de Ciclos de Trabajo

4.2.1- Motor de 4 Tiempos

4.2.2-Motor de 2 Tiempos

4.3Según la Presión de Admisión

4.3.1-Motores de Aspiración Natural

4.3.2-Motores Sobrealimentados

4.4-Según el Tipo de Refrigeración

4.4.1-Por Aire

4.4.2-Por Líquido

4.5-Según el Número de Cilindros

4.5.1-Monocilíndrico

4.5.2-Bicilíndrico

4.5.3-Tricilíndrico

4.5.4-Tetracilíndrico

4.5.5-Pentacilíndrico

4.5.6-Hexacilíndrico

4.5.7-Octocilíndrico

4.5.8-Decacilíndrico

4.5.9-Dodecacilíndrico

4.6-Según la disposición de los cilindros

4.6.1-En Línea

4.6.2-En “V”

4.6.3-En “W”

4.6.4-Bóxer y Horizontales Opuestos

4.6.5-Motores Radiales o en Estrella

4.7-Según la Inyección del Combustible

4.7.1-Inyección Directa

4.7.2-Inyección Indirecta

4.8-Según el Tipo de Cámaras de Combustión

4.8.1-Cámara Alargada

4.8.2-Cámara en Bañera

4.8.3-Cámara Cilíndrica

4.8.4-Cámara en Pistón

4.8.5-Cámara Hemisférica

5-Bibliografía

 

 


 

1-Definición y Clasificación de los MCIA

Para empezar el tema es necesario tener el conocimiento de lo que es un MCIA.

Definición de Motor de Combustión Interna Alternativo(MCIA):en general un motor se considera un dispositivo que permite transferir cualquier tipo de energía en energía mecánica.Dentro de esta definición,existen varios tipos de motores;motor eléctrico,que transforma la energía eléctrica en energía mecánica,el motor químico,por el cual se obtiene energía mecánica a partir de reacciones químicas…etc. El tipo de motor más reconocido quizá sea el motor térmico,que transforma la energía térmica de un fluido compresible en energía mecánica,y en este último es en el que nos centraremos en este artículo.

Antes de entrar en materia, una clasificación genérica de los motores ayuda a situarse.

Clasificación de motores térmicos

*Nota:Haz click en la imagen para verla de forma completa.

Como se ha dicho previamente los motores térmicos son los dispositivos que transforman la energía térmica en energía mecánica,ahora definiremos las subcategorías en las que podemos clasificarlos.

1.1-Motores de Combustión Interna:

El proceso de combustión se produce en el interior de la máquina.(Ej: Motores de generación eléctrica para una industria).

Motores de combustion interna

1.2-Motores de Combustión Externa:

El proceso de combustión se produce en el exterior de la máquina  (Ej: Turbina de vapor).

Turbina 1

1.3-Combustión  Continua:

Son aquellos en el que el proceso de combustión ocurre de forma continua en el tiempo y por consiguiente,el fluído de trabajo debe también pasar a través del motor de forma continua. (Ej: Turbina de Gas para generación eléctrica).

turbina de gas para generación eléctrica

1.4-Combustión Discontinua:

Son aquellos en los que el proceso de combustión ocurre de forma intermitente.En estos motores el fluido de trabajo actúa sobre una parte móvil, un pistón,una superficie… (Ej: La superficie de una cara del motor Wankel) o bien aumentando la energía cinética de un motor propulsivo (Ej:Pulsoreactor).

Pulsorractor

1.5-Motor Alternativo:

Son aquellos motores donde el fluido desarrolla un trabajo sobre una superficie móvil que se desplaza en movimientos re
ctilíneos (Ej: Biela-Manivela).


6cc499_6fda68b469cb430b90fa6147a3ce53fa

 

 

1.6-Motor Rotativo:

Son aquellos motores donde el fluido desarrolla un trabajo sobre una superficie móvil que se desplaza en movimientos giratorios (Ej: Motor Wankel).

Wankel_Cycle_anim2_ca

 

*Nota:En cuanto al tipo de encendido,lo veremos más adelante.


 

2-Elementos Constructivos de los MCIA

 

esquema motorEsquema del motor

  • Clasificación de los elementos del motor:

esquema partes del motor2.1-Bloque:

Es el cuerpo principal del motor y se encuentra instalado entre la culata y el cárter. Suele estar conformado de una sola pieza con materiales como el hierro fundido, aluminio o aleaciones especiales, el bloque está provisto de grandes agujeros llamados cilindros y se dispone encima de una bancada o chasis en el caso de un vehículo.Para saber más… 16-LAS CAMISAS Y SU DISPOSICIÓN EN EL BLOQUE MOTOR.bloque-motor

2.2-Cilindros (Bloque):

La función principal del cilindro es permitir el desplazamiento del pistón,el cual se mueve entre los denominados punto muerto inferior (PMI) y punto muerto superior (PMS)cilindro

2.3-Cigüeñal (Bloque):

Es el encargado de transmitir el movimiento alternativo en movimiento rotatorio que suministra un par útil.Este componente suele estar conformado por fundición o forjado y posteriormente mecanizado.

cigüeñal

 

2.4-Árbol de levas (Bloque):

Es el encargado de regular el movimiento de las válvulas de admisión y escape,gracias al movimiento rotativo que provoca un  movimiento oscilatorio del elemento causante de la distribución.

eje de camones

DSCF8367 Revisión de un eje de camones en un motor marino.

 

DSCF8364

             Revisión de un eje de camones en un motor marino (2)


2.5-Cojinetes: 

Elemento mecánico en el que se apoya y gira un eje.Existen diferentes tipos de cojinetes en función de la carga o esfuerzo a los que esté proyectado su uso,o bien la forma de contacto con el eje.cojinetes
Tipos en función de la carga o esfuerzo:
-Cojinetes radiales, en los que el esfuerzo actúa perpendicular-mente al eje
-Cojinetes axiales o de empuje, en los cuales éste se transmite en la misma dirección que el eje
-Cojinetes mixtos,engloban los dos tipos anteriores.En cuanto al modo de contacto:

-Cojinetes de fricción o lisos, cuando el rozamiento es por deslizamiento.
-Cojinetes de rodamiento o de rodamientos, cuando es por rodadura.cojinetes capas

 

Los cojinetes suelen ser de materiales anti-fricción para evitar el desgaste por rozamiento.
Los cojinetes están compuestos por 3 capas:
– Estructura de acero (En contacto con la biela)
– Metal de soporte de Cu (cobre) o bronce
– Metal anti-fricción de aleación de Pb (plomo), Sn (estaño), Sb (antimonio),este trimetal se denomina Babbitt (en contacto con el cigüeñal)

2.6-Biela (Bloque):

La biela es el elemento del motor encargado de transmitir la presión de los gases que actúa sobre el pistón al cigüeñal, o lo que es lo mismo, es un eslabón de la cadena de transformación del movimiento alternativo (pistón) en rotativo (cigüeñal).Por lo general las bielas se fabrican de acero templado, aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio ó de titanio.

La biela está dividida en tres partes:

El pie de biela: extremo que va articulado con el pistón por medio del bulón.
El cuerpo de la biela, zona central de la biela,es la parte que debe soportar la mayor pare de los esfuerzos,pero al estar en continuo movimiento,este debe ser ligero,debido a eso se construye en forma de doble T.
La cabeza de biela, parte que va unida al cigüeñal, a diferencia del pie,la cabeza va dividida en dos mitades,una de ella unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de éste,se unen por medio de dos pernos.

biela esquema12369519_10206651164251742_749582838_o

2.7-Cárter superior o bancada (Cárter):

Es el elemento que cierra el bloque, de forma estanca, por la parte inferior,el cárter superior soporta al cigüeñal y constituye la estructura resistente a la que se unen los cilindros y los demás órganos mecánicos; además incorpora las pestañas o anclajes para la sujeción del motor a la bancada.

 

carter2.8-Cárter de aceite o cárter inferior (Cárter):

El cárter de aceite no se considera parte estructural del motor, se encuentra fijada mediante pernos especiales al cárter superior y se pueden clasificar en dos tipos de cárter inferior;

  • Cárter húmedo: Este tipo de cárter actúa a modo de bandeja donde cae el aceite y su función principal es contener el aceite para la lubricación del motor.En el fondo de este cárter se instala una bomba de aspiración de aceite que se describirá más adelante,este se encarga de bombear el lubricante a todas las piezas del motor que requieren lubricación a presión positiva,especialmente cojinetes del cigüeñal. 
  • Cárter Seco: a diferencia del cárter húmedo,donde el aceite se acumula en propio cárter,en este  diseño el aceite se acumula en un depósito a parte.

carter seco

carter (2)

Cárter Seco

2.9-Bomba de aceite (Cárter):

La función de la bomba de aceite es succionar el aceite del cárter en el caso de un cárter húmedo o del depósito de aceite en el caso de un cárter seco e impulsarlo a través de un filtro y unos enfriadores si es necesario hacia los cojinetes del cigüeñal y el árbol de levas.
Para el buen funcionamiento es necesario un constante suministro de aceite para enfriar y lubricar los cojinetes,una falta de aceite en el motor conlleva a la destrucción sin remedio de sus elementos mecánicos.

esquemas de bombas de aceitebomba de aceite acoplada

2.10-Segmentos (Cilindro):

Los segmentos son aros de forma circular abierta, que se disponen en acanaladuras apropiadas situadas en la parte superior del propio pistón, para asegurar la retención de los gases durante la compresión e impedir en parte el paso del aceite lubricante al interior de la cámara de combustión. No obstante, siempre consigue pasar una pequeña cantidad de aceite; esto, si está dentro de parámetros es positivo dado que permiten una cierta lubricación en los propios segmentos.
Para saber más:   25ºSegmentos del Pistón segmentos-motor-dieselOLYMPUS DIGITAL CAMERA
 2.11-
Pistones (Cilindro):

El pistón o émbolo es el elemento encargado de transformar el movimiento rectilíneo en uno giratorio,tiene la función de deslizarse alternativa dentro de su guía (cilindro). El mecanismo denominado de Biela-Manivela,está compuesto por el pistón,la biela y manivela (cigüeñal).
En todas las aplicaciones que se emplean,el pistón recibe o trasmite fuerzas en forma de presión de un líquido (o gas) a un líquido (o gas).
Pistones y sus bielasOLYMPUS DIGITAL CAMERA

 

2.12-Cámara de combustión (Cilindro):

Es el espacio en el que tiene lugar la combustión de la mezcla de combustible y comburente (aire), este espacio se comprende entre la culata y la cabeza del pistón,cuando éste se halla en el punto muerto muerto superior (PMS)camara de combustión
Cámara de combustion: http://www.youtube.com/watch?v=GyL5WPbkUhs

 

2.13-Bulón (Cilindro) :

Denominación que se aplica comúnmente al eje del pistón, es el órgano que permite la articulación del pistón o émbolo con la biela.

bulón

2.14-Culata:

Es la parte del motor que sella los cilindros por su lado superior para evitar pérdidas en la compresión y en correspondencia con la cual suelen ir colocadas las válvulas de admisión y de escape y la bujía en el caso de motores (MEP). Para asegurar el sellado entre bloque y culata,se dispone una junta denominada “junta de culata”

En los motores marinos debido a su gran dimensión,para reducir los esfuerzos a los que están sometidos se disponen de culatas independientes por cada cilindro.

culata1culatas

2.15-Bujías (Culata):

Es el elemento del sistema de encendido que hace saltar la chispa en la cámara de combustión en los motores de encendido provocado (MEP).
La bujía debe conducir a la cámara de combustión la corriente de alta tensión producido por el sistema de encendido y descargarlo en forma de chispa por medio de dos electrodos contenidos en el extremo de la bujía para provocar la ignición de la mezcla de combustible y comburente (aire).
Los motores marinos suelen se motores de encendido por compresión por lo que no necesitan bujía.
Bujia
Nota:En el video enlazado en “Cámara de combustión” se aprecia perfectamente el funcionamiento de la bujía.

 

2.16-Balancines (Culata):

Son los elementos de la distribución encargados de transmitir el movimiento de la leva o de la varilla de la válvula aprovechando el principio de la palanca. Los balancines están generalmente apoyados en un punto intermedio actuando como palanca;puede también estar apoyado en un extremo y en ese caso se denomina balancín “tipo dedo”

Los balancines están fabricados de fundición,de acero o de aluminio.distribucion-balancines

DSCF4480 DSCF4482

2.17-Cigüeñal:

El cigüeñal forma parte del mecanismo biela-manivela,este mecanismo se encarga de transformar la energía desarrollada por la combustión en energía mecánica. El cigüeñal es una de las piezas más importantes del motor ya que recoge y transmite el cambio de potencia desarrollada por cada uno de los pistones.
El cigüeñal está fabricado de una aleación de acero. Posee gran resistencia mecánica a la torsión ya que se proyecta para aguantar la fuerza de empuje ejercida por los pistones durante la expansión. Algunos de ellos se construyen de forma hueca en su interior para permitir ser anchos y resistentes conservando un peso liviano.
Una de las características primordiales del cigueñal es su equilibrio estático, distribuyendo todo su peso de forma uniforme alrededor del eje; y equilibrio dinámico, para eliminar cualquier vibración generada durante su giro a causa de la fuerza ejercida por las bielas.
Para este fin se los construye con unas masas metálicas, los contrapesos, que se presentan en posiciones opuestas a la posición de los codos de las bielas. Así al girar cuando el motor está en funcionamiento la fuerza centrífuga generada es totalmente uniforme.
Las partes torneadas por las cuales el cigüeñal es fijado al bloque del motor se denominan cojinetes de bancada, mientras que las secciones de acoplamiento de las bielas son conocidas como cojinetes de biela o muñequillas.
OLYMPUS DIGITAL CAMERA

2.18-Dámper (Cigüeñal): 

La variación de régimen,de la fuerza de empuje de los pistones y el movimiento inercial de los elementos generan una variación de la torsión en el cigüeñal,esto se traduce en vibraciones en el cigüeñal.
Estas vibraciones se acentúan cuanta más longitud tiene el cigüeñal,por ello cabe mencionar un sistema para reducir dichas vibraciones ya que en los motores marinos la longitud del cigüeñal es bastante notoria,este sistema se denomina “Dámper”, el dámper es un amortiguador de vibraciones que se instala en la parte delantera del cigüeñal para absorber las vibraciones que se puedan producir en el cigüeñal.

damper

Damper (1)

2.19-Volante (Cigüeñal): 

Cuando en un sistema mecánico existe una variación periódica de velocidad denominada irregularidad periódica,para cada máquina se fija un límite de irregularidad que no debe superarse.El volante se instala para aumentar la inercia del sistema rotatorio y constituye un elemento regulador de la transmisión de energía,la causa de la variación de la velocidad de rotación en los sistemas mecánicos es la diferencia de par a la entrada en el sistema y el par desarrollado a la salida,esta diferencia puede provocar una modificación en la velocidad de rotación.

Un volante puede poseer múltiples funciones. Se emplea para:

  • Reducir las variaciones de velocidad de rotación de un eje y hacer así más uniforme la transmisión de un movimiento rotatorio
  • Absorber las variaciones de velocidad por efecto de su inercia a la rotación.
  • Almacenar energía para el impulso entre los tiempos de combustión.
  • Transmite la potencia en la máquina acoplada al motor.


Volante de inercia


 

3- Ventajas y limitaciones de los MCIA

3.1-Ventajas:

En cuanto a las ventajas de los motores de combustión interna alternativos podemos destacar:

3.1.1-Rendimiento:

El rendimiento depende del tipo de motor y de sus condiciones de operación,a pesar de poder obtener rendimientos térmicos del 55%,la característica  más destacable en cuanto a rendimiento es la estabilidad del mismo, si lo comparación con otros motores como las turbinas de gas o vapor.

En turbinas el régimen de giro afecta al movimiento del fluido sobre sus álabes por lo que el rendimiento se modifica apreciablemente mientras que los rendimientos de los MCIA son menos sensibles a estas fluctuaciones en cuanto a variaciones de régimen y carga.

 

Rendimientos termicos en función de la carga
3.1.2-Potencia: 

Los motores MCIA pueden adaptarse a una amplia gama de potencias,desde a penas unos pocos Watios hasta varias decenas de MegaWatios,esto es una gran ventaja frente a otros motores térmicos como las turbinas por ejemplo,limitados a grandes potencias.Limitación de potencias

3.1.3-Combustibles:

Para mantener en perfectas condiciones un MCIA es necesario emplear combustibles de relativa alta calidad,pero pueden funcionar con gran variedad de combustibles de diferente naturaleza,en estado líquido,gas e incluso sólido si se pulveriza debidamente.
El tener gran variedad de alternativas en cuanto a combustible facilita la adaptación según la disponibilidad de un tipo u otro de combustible. Una gran ventaja de los combustibles líquidos de estos motores es su gran poder calorífico en función de su volumen por lo que los automóviles obtienen gran autonomía a partir de un volumen reducido de combustible.combustibles coche3.1.4-Características constructivas: 

Los MCIA pueden adaptarse según para que se proyecten en distintos tamaños,desde centímetros (Ej:Pequeños motores para modelísmo) hasta metros (Ej: Motores de grandes buques o generación eléctrica).
Se pueden emplear materiales de bajo coste como aceros poco aleados y aleaciones de aluminio,esto es debido a que la temperatura media de trabajo es relativamente baja comparadas con otros motores (Ej: Turbinas de gas)

motores escala

 

3.2-Desventajas:

Los MCIA presentan una serie de desventajas o inconvenientes de los cuales podemos destacar:

3.2.1-La emisión de gases contaminantes

(Véase artículo 26º NORMATIVA,TECNOLOGÍAS Y MODIFICACIONES PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE SOX Y NOX A LA ATMÓSFERA.)

emisiones
Nota: Los vehículos por si solos representan un 14% de las emisiones totales de gases invernadero a los que hay que sumarles las emisiones de los buques y la parte de industria correspondiente para llegar a la idea aproximada del gran inconveniente que representan los gases de escape de los MCIA.

3.2.2-Limitación de la potencia máxima:

En aplicaciones de generación eléctrica a gran escala como centrales eléctricas,los MCIA no pueden competir contra las turbinas.
La potencia específica máxima: La potencia por kilogramo de motor es crucial para medios de transportes como aviones o buques rápidos,los MCIA han sido sustituidos en la actualidad por turbinas de gas.
turbina de gas
3.2.3-La dependencia del petróleo:

El I+D nos dará la solución ante este problema ciertamente preocupante dado que el petróleo es un combustible no renovable y las medidas cada vez más restrictivas de emisión respecto a los gases contaminantes está desplazando la investigación hacia motores de gas,eléctricos y otras alternativas como el hidrógeno. Para saber más sobre los hidrocarburos y especialmente el petroleo,  hacer click aquí 19ºHIDROCARBUROS


 

4-Clasificación de los MCIA

4.1-Según el Tipo de Encendido

Atendiendo al proceso de combustión de los MCIA se clasifican en motores de encendido provocado (MEP) y motores de encendido por compresión (MEC)

4.1.1-Motores de encendido provocado (MEP):

Los motores MEP se caracterizan por la necesidad de un aporte de energía externo al ciclo termodinámico para iniciar la combustión,en los motores modernos esta energía se proporciona mediante una chispa producida entre dos electrodos de una bujía.
El momento de la producción de esta chispa debe ser adecuado para obtener la máxima eficiencia posible.

Generalmente la mezcla aire-combustible se realiza fuera del cilindro y se introduce por el conducto de admisión,en algunos casos se puede inyectar el combustible directamente durante la compresión formándose una mezcla heterogénea.

Otras denominaciones de los motores MEP son:

  • Motores de Explosión
  • Motores de Encendido por Chispa
  • Motores Otto

4.1.2-Motores de encendido por compresión (MEC)

Los motores MEC inician la combustión mediante un proceso de autoencendido de la mezcla aire-combustible al conseguir temperaturas finales suficientemente altas en la cámara de combustión en la etapa de compresión.

En estos motores solamente entra aire por el conducto de admisión y el combustible se inyecta hacia el final de la carrera de compresión, cuando el aire alcanza niveles de temperaturas altos para producir el autoencendido.

A diferencia de los MEP donde se localiza claramente la zona donde se inicia y desplaza la combustión (partiendo de la chispa de la bujía), en los motores MEC depende especialmente de la zona en la que se encuentre la mezcla en las proporciones ideales, siendo estas las zonas donde la mezcla se encuentra en proporciones estequiométricas.
El proceso de combustión por tanto depende espacial y temporalmente del proceso de inyección y se ve afectada por los procesos físicos que tienen lugar en la inyección, por ejemplo la atomización del combustible,la evaporación del mismo,la proporción aire-combustible y la turbulencia producida en la cámara de combustión.

La denominación más usual para denominar al motor MEC es:

  • Motor Diesel, en honor al inventor de este motor

Otros nombres menos corrientes también empleados serían:

  • HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)
  • CAI ( Controlled Auto-Ignition)

 

  • Diferencias entre motores MEP y MEC:
    Diferencias entre MEP y MEC-1

4.2-Según el Número de Ciclos de Trabajo

Para empezar debemos saber que es un ciclo,ya sea de 4 Tiempos o de 2 Tiempos. 

El ciclo representa las fases que un fluido de trabajo cumple en el cilindro y se repite periódicamente.

4.2.1- Motor de 4 Tiempos

El ciclo en un motor de 4 Tiempos se cumple en 4 carreras del pistón y equivale a 2 revoluciones del cigüeñal.

4 Tiempos

1-Primera Carrera descendente: Admisión;

Válvulas de admisión abiertas y las de escape cerradas,el émbolo se desplaza hasta el PMI, esto crea una caída de presión en el cilindro que causa la aspiración de gases a través del conducto de admisión. Cuando el pistón llega al PMI las válvulas de admisión se cierran y comienza la fase de Compresión.

2-Primera Carrera ascendente: Compresión.

Válvulas de admisión y escape cerradas, el pistón se desplaza del PMI al PMS comprimiendo el fluído. Cuando la compresión se acerca al PMS en los motores MEP se produce la chispa o en caso de los motores MEC se inyecta el combustible y se produce la combustión.

3-Segunda Carrera descendente: Expansión.

Válvulas de admisión y escape cerradas. Como efecto de la combustión se produce un aumento de la presión en el émbolo que lo empuja del PMS al PMI. De este empuje se obtiene el trabajo del motor.

4-Segunda Carrera ascendente: Escape. 

Al llegar el pistón al PMI se abren las válvulas de escape y se expulsan los gases de combustión a medida que el pistón se desplaza hacia el PMS. Al llegar a las cercanias del PMS las válvulas de escape se cierran y se vuelve a iniciar el ciclo.

Motor-explosion

Motor MEP 4 Tiempos

  • Diagrama teórico y práctico de 4 Tiempos:

ciclos teórico y práctico 4 tiempos
Los dos ciclos son “Ciclos Otto” el de la izquierda es el modelo “Ideal o teórico” y el de la derecha es el modelo “Real o práctico”

El ciclo ideal no tiene en cuenta las disipaciones de energía en forma de calor,por ejemplo las pérdidas por rozamientos del émbolo con el cilindro, por estas pérdidas el rendimiento de un ciclo Otto real ronda el 25%-30%.

 

-Vídeo de un ciclo práctico de 4 Tiempos:

http://www.youtube.com/watch?v=nSXbpaFVUEw

  • Diagráma de Distribución de un motor de 4Tiempos:

En el siguiente diagrama de distribución se representan las fases nombradas antes en un ciclo real.

Diagrama de distribución práctico

  • PMS (Punto Muerto Superior)
  • PMI (Punto Muerto Inferior)
  • AAA (Avance en la Apertura de Admisión)
  • RCA (Retraso en el Cierre de Admisión
  • AE (Avance al Encendido)
  • AI (Avance a la Inyección)
  • AAE (Avance a la Apertura del Escape)
  • RCE (Retraso en el Cierre de Escape)

El avance o retraso de las fases durante el ciclo permite ciertos efectos positivos en el rendimiento del motor, como la compresibilidad del flujo, o la apertura y cierre de válvulas dado que no es instantánea por razones mecánicas, para ello se aplica un AAA por poner un ejemplo.

El valor óptimo de estos puntos depende de las condiciones de operación de cada motor, sobretodo del régimen de giro, características constructivas del motor,número de cilindros…etc.

Estas modificaciones se llevan a cabo con modificaciones en la distribución,de la que hablaremos en posteriores artículos.

4.2.2-Motor de 2 Tiempos

El ciclo en un motor de 2 Tiempos se cumple en 2 carreras del pistón y equivale a 1 revoluciones del cigüeñal.

Los procesos desarrollados son los mismos que en un motor de 4 Tiempos con la diferencia de una menor duración angular.

La diferencia notoria entre los motores de 4 Tiempos y los de 2 Tiempos es la renovación de la carga, en los motores de 2 Tiempos la fase de admisión-escape se produce en una etapa denominada “Proceso de Barrido” por medio de unas lumbreras.

Esquema-ciclos-motor-2-tiempos

1-Primera Tiempo:

Se producen los siguientes acontecimientos:

  • La compresión del pistón y  con esta compresión queda cerrada la lumbrera de admisión y escape.
  • Se produce el encendido de la mezcla
  • Según se aproxima al PMS queda abierta la lumbrera de admisión o lumbrera del cárter,entrando la mezcla combustible-comburente al crearse una depresión en el mismo (En el esquema anterior se denomina “Encendido).

2-Segundo Tiempo:

Se producen los siguientes acontecimientos:

  • El émbolo se desplaza hacia el PMI dejando abierta casi al final de la carrera la lumbrera de escape.
  • Se abre la lumbrera de transferencia dando paso a una renovación de la carga en la cámara de combustión.
  • Se produce una diferencia de presiones que facilitan el desalojo de los gases de combustión y la renovación de gases (Proceso de Barrido).

 

  • Diagrama práctico de 2 Tiempos:

diagrama practico 2t

El diagrama está dispuesto entre el PMS y el PMS y quedan definidos en el los siguientes puntos:

  • AE (Apertura de Escape)
  • AA (Apertura de Admisión)
  • CA (Cierre de Admisión)
  • CE (Cierre de Escape)

 

4.3-Según la Presión de Admisión

Esta clasificación diferencia los motores según la presión a la que se introduce aire fresco en el motor.

4.3.1-Motores de Aspiración Natural

En estos motores, la aspiración del aire de produce por la propia depresión que genera la expansión del émbolo desde el PMS al PMI. Esta presión es siempre menrs a la presión atmosférica para así favorecer la entrada de gases por la admisión.

4.3.2-Motores Sobrealimentadosturbo-principio-funcion1

En estos motores se emplea un compresor para aumentar la presión de admisión por encima de la atmosférica y así introducir más aire en la cámara de combustión por lo que se puede aumentar la cantidad de combustible inyectada y por lo siguiente aumentar la potencia,rendimiento reducir las emisiones de gases de combustión en motores MEC y evitar las variaciones de potencia en función de las condiciones atmosféricas por ejemplo la diferencia de presiones que sufren los aviones a distintas altitudes.

En artículos posteriores se tratarán de manera más exhaustiva el tema de la sobrealimentación. 

 

turboaimentadoturbo

 

 


 

4.4-Según el Tipo de Refrigeración

 Todos los motores de combustión interna necesitan un sistema de refrigeración para controlar la temperatura de los elementos dentro de los parámetros constructivos y así evitar daños.Podemos distinguir dos tipos de sistemas de refrigeración, por aire,por ejemplo los aviones y por liquido por ejemplo en el caso de los buque,refrigerados con agua.

4.4.1-Por Aire

En los motores refrigerados por aire es el propio ambiente el encargado de adecuar la temperatura del motor. El fluido ambiente se hace pasar por las paredes del motor (previamente adecuadas para mejorar la transferencia de calor motor-aire por medio de aletas) el aire pasa a través de las aletas aprovechando la propia velocidad del vehículo o forzando su paso por medio de ventiladores.

refrigeracion aire

4.4.2-Por Líquido

En el caso de los motores refrigerados por líquido,se hace circular el fluido líquido por una serie de venas y conductos internos en el motor y se cede calor en los intercambiadores de calor, donde se regula la temperatura del refrigerante. En el caso de los buques se utiliza agua dulce para la refrigeración del motor y en los intercambiadores, esta agua dulce se encuentra con el agua de mar en una serie de intercambiadores de calor, en ellos cede su calor al agua salada que circula por un circuito independiente y el fluido es renovado constantemente, manteniendo así una temperatura adecuada.

refrigeracion por agua

 

 

 


 

 

4.5-Según el Número de Cilindros

Según las necesidades requeridas de un motor, se proyectan de una determinada conformación de cilindros, las razones de demanda de más de un sólo cilindro son las siguientes:

  • Para obtener la potencia adecuada al servicio necesario. La potencia obtenida de cada cilindro está limitada, para una demanda de una potencia superior a ese límite es necesaria la proyección de más cilindros.
    Esto suele verse más claramente en automoción, ya que las grandes dimensiones de los motores marinos permiten gran obtención de potencia por cilindro.
  • Por motivos de equilibrado y regularidad cíclica. El diseño desempeña un importante papel a la hora del equilibrado. Cuantos más cilindros el equilibrado es más fácil de conseguir, en cuanto a la regularidad cíclica, es mayor cuantos más impulsos reciba el cigüeñal por vuelta, por lo que es proporcional al número de cilindros obteniendo una mayor suavidad de funcionamiento.

Hay que mencionar que cuantos más cilindros tenga un motor, más complicada es la mecánica, presentará un aumento del consumo, de los costes y del mantenimiento.

Existen diferentes configuraciones según el número de cilindros enfocados a mantener el equilibrio y la regularidad cíclica óptima, estas disposiciones son las siguientes:

4.2.1-Monocilíndrico

Los motores Monocilíndrico están diseñados para sistemas que requieren poca  potencia como un ciclomotor, pequeños vehículos agrícolas (cortadoras de césped por ejemplo) o motobombas.
El mayor inconveniente, como hemos citado anteriormente seria la obtención de grandes cilindradas, ya que provocaría enormes inercias en el tren alternativo.
Como ventaja se puede citar la sencillez mecánica que presentan.

monocilindro

 

4.2.2-Bicilindrico

Esta disposición es más clásicas de motocicletas, el equilibrado es superior al alcanzado los motores monocilíndricos aunque depende de la disposición, en “Linea”, “V” o “Boxer” ambos  explicados en el punto 4.6.

La complicación mecánica es superior a la mecánica empleada en los monocilíndricos.

bicilindrico

4.2.3-Tricilíndrico

A partir de la configuración de 3 cilindros en adelante se aprecian las ventajas de equilibrado y regularidad cíclica de los motores multicilíndricos. El uso de motores de 3 cilindros no están muy extendidos, los diseñadores suelen optar por configuraciones tetracilíndricas en línea o en “V”.

Los motores Tricilíndricos se emplean en automóviles de pequeña cilindrada, dispuestos en línea y en algunas motocicletas dispuestos de forma radial.

tricilidricos

 

4.2.4-Tetracilíndrico

Disposición más común para los automóviles y motocicletas de gran cilindrada,también se pueden encontrar en motores industriales de pequeño tonelaje.
El excelente equilibrado y regularidad cíclica hacen que este diseño sea de los más recurridos en la industria automovilística.
La disposición más común es en línea para automóviles, aunque también existen modelos de 4 cilindros en disposición Boxer o en V para motocicletas.

tetracilindrico boxer

4.2.5-Pentacilíndrico

Motores de 5 cilindros tuvieron su auge a mediados de los 70 en los turismos alemanes, su disposición era prácticamente en línea, aunque han aparecido modelos en los que se ha decidido fabricar modelos en V, esto favorece una configuración más estrecha del bloque.

petacilindrico

4.2.6-Hexacilíndrico

Motores de 6 cilindros están más enfocados vehículos más potentes como camiones o autobuses, favorece una suavidad de funcionamiento espléndida si se configuran en línea. 
En pesqueros de bajura también se pueden encontrar este tipo de motores muy recurridos en el sector.
La fabricación también incluye la posibilidad de una configuración en V.

IM000335.JPG

4.2.7-Octocilíndrico

En automóviles es difícil de encontrar sin irnos a vehículos de competición de gran cilindrada. Tienen un alto índice de consumo y una fabricación y mantenimiento bastante caros.
Tienen cierto uso en camiones o vehículos industriales que requieran de potencias cercanas a los 500 CV. Su configuración se limita en V  o W, aunque en el pasado se han construido en línea.

octocilindricos

 

4.2.8-Decacilíndrico

Su fabricación en vehículos es casi exclusiva a vehículos de competición de F1 donde se requiere una gran cilindrada unitaria (la cilindrada total está limitada por la FIA).
En los F1 se disponen en V por la limitación de espacio en el monoplaza. Existe algún modelo de alto lujo que dispone de V10 como el famoso Audi TT.

decacilindrico F1decacilindrico

4.2.9-Dodecacilíndrico

Como el V10 , esta configuración está muy limitada a vehículos de alta gama como el famoso Bugatti Veyron v12 donde destaca su amplia potencia y su escandaloso consumo.

dodecaciclindrico

En el sector de la marina mercante del que sin poder evitarlo me he tenido que apartar en este apartado, se emplean motores multicilíndricos de gran tonelaje que oscilan de 8 cilindros hasta 14 cilindros, se emplean disposiciones en línea y en V.

14 cilindros


 

4.6-Según la disposición de los cilindros

4.6.1-En Línea:

Esta es la disposición más extendida. Consiste en disponer todos los cilindros en línea recta y paralelos entre si.
En cuanto a costes esta disposición es la más compacta y económica, pues el bloque se puede llegar a fabricar de un solo molde.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

4.6.2-En “V”:

Se distribuyen los cilindros en dos filas paralelas cuyos planos forman un determinado ángulo entre si. Una característica de este tipo de distribución de cilindros es que las bielas de los cilindros enfrentados comparten muñequilla.

Este tipo de diseño permite la fabricación de bloques más cortos y de menor altura si los comparamos con los motores en línea. Como desventaja, presentan una mayor complicación de fabricación, son más sofisticados y más caros.

 

v16

 

4.6.3-En “W”:

Son una fusión de dos motores en “V”. Pueden ir dispuesto con un ángulo central de 72º y dos ángulos laterales de 15º  entre los cilindros de cada bancada o con los cilindros dispuestos en “W”, distribuyendo 3 bloques de 6 cilindros en línea con un ángulo de 60º entre bancadas consecutivas, consiguiendo de esta manera conformar un motor de 18 cilindros en “W” en la longitud de un motor de 6 cilindros en linea.

disposición en W

 

4.6.4-“Horizontales Opuestos o Enfrentados” y Tipo “Bóxer”:

Este diseño consiste en disponer los cilindros en dos bancadas enfrentadas paralelas entre si y unidas por el cigüeñal. Existen varias diferencia entre los tipo “Horizontales Opuestos y los tipo Bóxer.

Diferencias:

  • Si no comparten muñequilla se les conoce como tipo “Boxer”, si la comparten se denominan “Horizontales Opuestos”
  • Los Tipo “Bóxer” realizan carreras ascendentes y descendentes al unísono mientras que los enfrenados se consideran motores en “V” separados por un ángulo de 180º.

 

Motor Bóxer,se aprecia que las bielas se disponen en distintas muñequillas.

Motor Bóxer,se aprecia que las bielas se disponen en distintas muñequillas.

boxermotor01a

 

Motor de cilindros enfrentados,se aprecia que las bielas se disponen en la misma muñequilla.

Motor de cilindros enfrentados,se aprecia que las bielas se disponen en la misma muñequilla.

 

 

4.6.5-“Motores Radiales o en Estrella”

En el “Motor Radial o en Estrella” los cilindros van dispuestos radialmente respecto al cigüeñal formando una especie de estrella. Esta configuración es común en aviación, tuvo su auge en el pasado antes de la aparición de los motores a reacción.

Radial_engine

motor radial


4.7-Según la Inyección del Combustible

El diseño de la cámara de combustión en motores Diesel depende de si el tipo de inyección es directa o indirecta.

camaras-combustion-diesel

4.7.1-Inyección Indirecta:

Si la inyección es  indirecta, a la cámara de combustión se la denomina precámara y está unida al resto de cavidad volumétrica por un estrechamiento que amortiza la violencia de la combustión, aunque su principal cometido es favorecer la turbulencia para una mejor combustión.

precámara de combustion

En el esquema podemos distinguir la precámara de combustión, el inyector y un elemento calentador (no confundir con la bujía, elemento de un motor de MEP). Todos estos elementos sumados a la turbulencia generada representada por flechas favorecen enormemente la combustión.

4.7.2-Inyección Directa:

En el caso de la inyección directa, la combustión es más eficaz y el consumo de combustible menor, a la vez que tiene un mejor arranque en frío. Los inconvenientes de este sistema son el ruido, las vibraciones y la necesidad de combustibles de mayor calidad.
Como ventaja este tipo de inyección proporciona una combustión completa menos violenta y por tanto una alta potencia y una reducción de los gases de escape.

inyección directa

 

  • Tabla comparativa entre la inyección directa y la indirecta:

tabla comparativa


4.8-Según el Tipo de Cámaras de Combustión

Existen multitud de disposiciones en cuanto al diseño de la cámara de combustión, su diseño depende de varios factores:

  • Proporción diámetro-carrera.
  • El número de válvulas y bujías por cilindro.
  • La función para la cual se va a diseñar el motor.
  • Sistema de distribución empleado.

Como hemos mencionado en la descripción del punto 4.1 los motores MEP existe un equilibrio en la mezcla y la propagación del frente de llama en la cámara de combustión, pero en los motores MEC el equilibrio dependía de varios factores entre los que se encuentra la turbulencia del fluido en el interior de la cámara de combustión, esta turbulencia favorece la homogeneidad de la mezcla favoreciendo la autoignición y la propagación del frente de llama.

La tendencia de diseño de las cámaras de combustión en motores Diesel lleva a recurrir a la implantación de “Áreas de Squish“,esto consiste en disminuir la superficie de la cámara de combustión, haciendo que el pistón casi llegue a tocar la culata por la parte más externa de la cámara.

La función de las áreas de Squish es obligar a la mezcla en esas zonas a desplazarse hacia el interior de la cámara durante la etapa de compresión favoreciendo la creación de turbulencias y favorecer el frente de llama.

squish área

 

4.8.1-Cámara Alargada

Este tipo de cámara se emplea únicamente para motores con válvulas laterales (Distribución SV),  es una disposición en desuso.

cámara de combustión alargada

4.8.2-Cámara de Bañera o cuña

Para motores con válvulas paralelas en cabeza y bujía lateral, con una gran zona de Squish en el lado opuesto a la bujía.

cámara de combustión de bañeracámara de combustión en cuña

4.8.3-Cámara Cilíndrica

La cámara es una prolongación del cilindro,disponiéndose las válvulas paralelas entre si y también a su vez al eje del cilindro. La bujía puede disponerse lateralmente o paralela a las válvulas.

cámara de combustión de cilindrica

 

 

4.8.4-Cámara en Pistón

Es propia de los motores Diésel aunque no exclusivos, para este tipo de cámara de combustión el motor precisa de una relación de compresión que dobla a los motores de gasolina. La culata es plana y las válvulas están enrasadas en el mismo plano.

 

cámara de combustión en piston

4.8.5-Cámara Hemisférica

Se identifica por su forma semicircular y su alto rendimiento en motores de Gasolina, permite la instalación de válvulas de mayor diámetro y permite una disposición central de la bujía, que favorece la propagación del frente de llama. Este tipo de cámara es la más utilizada en motores de gasolina de alto rendimiento.

cámara de combustión hemisférica

 


 

5-Bibliografía

 

Autor: Roberto García Soutullo

 

Comments
3 Responses to “30ºMotores de Combustión Interna Alternativos (MCIA) (1ºParte)”
  1. Anónimo dice:

    Muy bueno gracias.

    Me gusta

  2. Acosta Ariel dice:

    Que buen post!!! Te felicito!!!

    Me gusta

  3. Pablo Croxatto dice:

    Muchas gracias Rober muy didactico.

    Me gusta

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s

A %d blogueros les gusta esto: